热冲压损伤演化力学行为与成形性预测研究

发布时间：2020-11-20 23:50

　　 高强度钢热冲压是对高温板料进行冲压成形并保压淬火以获得高强度零件的先进制造技术,是实现车身轻量化和保障整车碰撞安全性的重要途径。热冲压成形阶段涉及复杂的热-力耦合问题,温度、应变率影响下的材料损伤演化对高强度钢板热成形性的准确预测提出了新的要求和挑战。高温下成形工艺的不合理将促使板料内部损伤的加剧发展,并最终导致板料的失稳破裂,这将严重影响产品质量并造成资源浪费。因此,对高强度钢板在热冲压成形工艺下的损伤演化行为进行深入研究,进而建立准确的成形性预测方法,对热冲压实际生产具有重要的现实意义。本文通过开展高强度硼钢22MnB5高温拉伸热模拟实验和成形极限实验研究,对板料的高温变形力学行为和断裂机理进行了系统研究。进一步,基于实验结果分析,发展了适用于热冲压问题的细观损伤模型本构积分算法和成形极限预测方法。最后,结合所识别的高温损伤特征参数,实现了板料高温成形极限和实际热冲压过程中板料破裂的准确预测。为此,本博士论文主要研究内容包括:(1)设计开展了系统的热-力模拟拉伸实验,研究了降温速率、拉伸速度以及变形温度对铝硅镀层高强度硼钢22MnB5流动行为和断裂特征的影响。同时,借助非接触光学测量技术和红外测温技术,研究了高温样件标距长度对应力-应变曲线计算结果的影响。实验结果表明,降温速率、拉伸速度以及变形温度均会对材料的延伸率、峰值力等产生显著影响;此外,在匀速拉伸过程中,高温样件不同位置在不同拉伸阶段将表现出不同的变形速率,这种局部应变率效应会对材料的力学性能产生影响。通过对样件断口进行微观形貌观测并结合变形特征分析,明确了 22MnB5板料的断裂机理:微孔洞形核-微孔洞长大-孔洞间聚合-形成微裂纹-形成宏观裂纹并发生断裂。同时,阐明了温度和应变率对样件损伤演化的影响。(2)针对高强度钢板高温变形特点,采用完全隐式的向后Euler应力返回算法,实现了率相关Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)细观损伤模型的本构积分,并开发了VUMAT用户材料子程序。采用参数反分析法对22MnB5在不同变形温度、应变率下的损伤特征参数进行了准确识别。通过有限元数值仿真,研究了局部应变率对材料变形行为的影响:在拉伸相同位移时,与不考虑应变率仿真相比,样件的均匀变形程度将明显增大。研究了样件在拉伸过程中的损伤演化规律和加载工况对损伤参数的影响;最后,分析了损伤特征参数对材料力学行为的影响。(3)通过自主开发的国内首台套热成形极限测试设备,开展了高强度硼钢成形极限实验研究。基于Nakazima胀形实验测试原理,建立了 22MnB5在不同胀形温度下的热成形极限图(Thermal Forming Limit Diagram,TFLD)。借助于非接触光学测量技术,对样件在胀形过程中的变形特点进行了详细分析,并分析了温度、摩擦对板料成形性的影响。进一步基于双拉-预变形理论,对成形极限最低点出现在成形极限图的右半区做出了合理解释。(4)建立了耦合细观损伤的M-K模型成形极限预测方法,对预测流程做了详细推导。分别以临界孔洞体积分数和失效孔洞体积分数为判据对22MnB5在室温和高温下的成形极限进行了理论预测,分析了孔洞损伤在不同加载路径下的演化规律。同时,建立了 Nakazima胀形有限元模型,采用识别的损伤参数和VUMAT子程序,实现了对样件断裂位置的准确预测并分析了高温变形对损伤演化的影响。进一步,通过有限元仿真建立了 22MnB5在不同温度和变形速度下的成形极限图。同时,建立了 22MnB5在不同温度下的应力成形极限图并做了规律分析。(5)利用开发的VUMAT子程序,对某车型B柱的热冲压过程进行了数值仿真并开展了实验验证。对板料在成形过程中的温度场、损伤分布规律等做了分析。通过对冲头力-位移曲线、板料破裂位置的预测,进一步验证了本文建立的耦合损伤本构积分算法和损伤参数识别的有效性,可用于实际热冲压过程中板料的成形性预测。最后,分析了初始成形温度和冲压速度对22MnB5板料成形性的影响。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG301
【部分图文】：

近似“从门到门”的出行方式仍是人们的主要选择。根据中国汽车工业协会统计结果，??２０１７年中国汽车总产量为２９０１．５４万辆，同比增长３．１９％；汽车总销量为２８８７．８９万辆，??同比增长３．０４％。图１．１为２０１０年至２０１７年间中国的汽车产销量情况，可以看出，中??国汽车产销量呈逐年递增的发展趋势。据统计，截止１７年６月，我国汽车保有量已达??２．０５亿辆。人均汽车保有量的增长，势必会增加我国石油资源的供给压力，加剧能源危??机；另一方面，汽车尾气排放也会造成环境污染以及温室效应等问题。因此，实现节能??减排是目前汽车工业发展的重要方向。??３０００?＾?□产？?——：繼?］３＿??ａ－?２８００??■??－２６００??２０００－１??１?：?Ａ＼?ｇ??■?￣￣＾１?－?２４００?§??ｉ?１５００－?，?ｓ??＾?＇?｜?／?－?２２００??１０００－?ｆ??／?－?２０００??５００－?一乂??〇＿?，ｉ?ｔ?．Ｉ，．，?（ｉ，ｉ?ｔ?：，?＿＿１＿＿ｙ＿，＿－ｊ＿＿，＿ｕ＿＿，＿＿ｕ＿＿??２０１０?２０１１?２０１２?２０１３?２０１４?２０１５?２０１６?２０１７??时间??图１．１?２０１０－２０１７年中国汽车产销量情况??Ｆｉｇ．?１．１?Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｓａｌｅｓ?ｉｎ?Ｃｈｉｎａ?（２０１０－２０１７）??汽车轻量化是实现节能减排的重要途径［１，２］。相较于车身零部件的优化减重，高强??度材料的应用将得到更加显著的减重收益

图１．２热冲压成形基本工艺原理??Ｆｉｇ．?１．２?Ｂａｓｉｃ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｈｏｔ?ｓｔａｍｐｉｎｇ??热冲压成形的一般工艺流程及原理如图１．２所示。以高强度硼钢２２ＭｎＢ５钢板的热??成形过程为例：首先，将板料加热至奥氏体温度，一般控制在９００？９５０°Ｃ之间，并保温??４？ｌＯｍｉｎ，以实现板料奥氏体组织的均匀化。随后将高温板料转运至热冲压水冷模具中，??转运时间控制在３－６ｓ之间，以避免发生奥氏体组织向铁素体、珠光体的转化，影响最终??成形件的力学性能。随后快速冲压成形，并保压淬火，时间一般控制在１０？３０ｓ之间，??以减小成形件的回弹，提高尺寸精度；另一方面，提高淬火均匀性，保证最终成形件中??马氏体组织的转化量。其中，热冲压零件的最终力学性能取决于微观组织中马氏体的含??量：马氏体含量高则抗拉强度高，反之则较低。??热冲压零部件可在减轻车身重量的同时保证汽车的碰撞安全性。目前

图１．３热冲压零部件在汽车白车身上的应用??Ｆｉｇ．?１．３?Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｈｏｔ?ｓｔａｍｐｉｎｇ?ｐａｒｔｓ?ｉｎ?ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ?ｂｏｄｙ－ｉｎ－ｗｈｉｔｅ??
【参考文献】

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本文编号：2892196